压裂液注入引发断层失稳的流固耦合模拟方法及装置

技术领域

本发明涉及一种压裂液注入引发断层失稳的流固耦合模拟方法及装置，属于油气开采技术领域。

背景技术

随着全球常规油气资源的不断开采和对清洁能源的需求日益增强，全球油气开发逐渐向非常规油气资源方向发展，如页岩油气等。近十年来，全球各能源大国陆续开展了对页岩资源的勘探开发，特别是水平井多级水力压裂技术的广泛应用，在全球范围内取得了巨大的商业成功。但与此同时，在页岩水力压裂作业过程中，由于压裂液大量注入地层，会造成附近断层失稳并诱发较大震级的人工地震。页岩压裂诱发地震这一现象在过去十年中受到了全世界公众和科学界的关注。

在页岩水力压裂过程中，当压裂液的注入压力超过储层岩石的最小主应力和抗拉强度时，人工压裂缝就会在页岩储层中开启并扩展。当压裂缝延伸并沟通附近的先存断层时，水力裂缝中的流体会增加地层的孔隙压力，降低断层面上的正应力，从而导致断层失稳，引发地震事件。上述物理过程较为复杂，涉及地质力学，流体力学和断裂力学等多学科，而目前对多侧重地质力学或断裂力学分析，没有采用基于流体-应力流固耦合模拟方法，难以准确表征压裂流体注入导致断层失稳、诱发人工地震的物理机制，尚未形成较为完善的多学科流固耦合模拟方法。因此，需要建立一种页岩储层压裂液注入引发断层失稳的流固耦合模拟新方法。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种压裂液注入引发断层失稳的流固耦合模拟方法及装置，该方法能够对页岩压裂导致诱发地震进行定量表征。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种压裂液注入引发断层失稳的流固耦合模拟方法，包括如下步骤：

基于地震、钻井和测井资料，识别目的层位和先存裂缝及断层，建立三维构造模型，基于岩心物性实验和测井资料，建立关键井岩电响应图版，建立三维属性模型；

基于岩石力学实验分析，结合纵波和横波测井数据，建立三维岩石力学模型，基于三维岩石力学模型，根据应力反演方程，建立三维地应力模型；

基于三维岩石力学模型，结合压裂施工资料，建立三维人工压裂缝模型；

基于线性弹性孔隙理论，结合三维构造模型和三维属性模型、三维地应力模型以及三维人工压裂缝模型，建立储层流体压力-地应力流固耦合方程；

对储层流体压力-地应力流固耦合方程进行求解，得到压裂液注入引起的断层附近的实时压力变化和应力变化值；

基于摩尔-库伦失效准则，绘制表征断层应力状态的摩尔圆，判断压力变化和应力变化值能否导致断层失稳，从而引发人工地震事件。

所述的流固耦合模拟方法，优选地，三维岩石力学模型的计算公式如下：

式中，υ为岩石泊松比；V

所述的流固耦合模拟方法，优选地，三维地应力模型的计算公式如下：

σ

式中，σ

所述的流固耦合模拟方法，优选地，三维人工压裂缝模型的计算公式如下：

式中，L(t)为t时刻的压裂缝半长；W(t)为t时刻的压裂缝宽度；G为剪切模量；q为注入速率；μ为注入流体黏度；h为裂缝高度。

所述的流固耦合模拟方法，优选地，储层流体压力-地应力流固耦合方程的计算公式为：

式中，ρ为流体密度；φ为岩石孔隙率；t为时间；k为岩石渗透率；μ

所述的流固耦合模拟方法，优选地，储层流体压力-地应力流固耦合方程的求解过程包括：假定在t时刻，储层流体通过岩石孔隙流入或流出岩石，通过渗流场控制方程，求取t0时刻储层孔隙压力场分布P(t0)，再将P(t0)带入应力场控制方程，求得t0时刻的体积应变ε

然后将ε

所述的流固耦合模拟方法，优选地，摩尔-库伦失效准则的计算公式为：

CFS＝(τ+f

ΔCFS＝(Δτ+f

式中，CFS为断层面库伦失效应力；σ

本发明第二方面提供一种压裂液注入引发断层失稳的流固耦合模拟装置，包括：

第一处理单元，用于基于地震、钻井和测井资料，识别目的层位和先存裂缝及断层，建立三维构造模型，基于岩心物性实验和测井资料，建立关键井岩电响应图版，建立三维属性模型；

第二处理单元，用于基于岩石力学实验分析，结合纵波和横波测井数据，建立三维岩石力学模型，基于三维岩石力学模型，根据应力反演方程，建立三维地应力模型；

第三处理单元，用于基于三维岩石力学模型，结合压裂施工资料，建立三维人工压裂缝模型；

第四处理单元，用于基于线性弹性孔隙理论，结合三维构造模型和三维属性模型、三维地应力模型以及三维人工压裂缝模型，建立储层流体压力-地应力流固耦合方程；

第五处理单元，用于对储层流体压力-地应力流固耦合方程进行求解，得到压裂液注入引起的断层附近的实时压力变化和应力变化值；

第六处理单元，用于基于摩尔-库伦失效准则，绘制表征断层应力状态的摩尔圆，判断压力变化和应力变化值能否导致断层失稳，从而引发人工地震事件。

本发明第三方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述压裂液注入引发断层失稳的流固耦合模拟方法的步骤。

本发明第四方面提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述压裂液注入引发断层失稳的流固耦合模拟方法的步骤。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

本发明所提供的流固耦合模拟方法，能够全面表征页岩水力压裂引发断层失稳并触发人工地震事件，大大提高对压裂诱发地震的认识。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的压裂液注入引发断层失稳的流固耦合模拟方法流程图；

图2为本发明该实施例提供的三维构造和属性模型图；

图3为本发明该实施例提供的三维地应力模型图；

图4为本发明该实施例提供的三维人工压裂缝模型图；

图5为本发明该实施例提供的压裂液注入引起的库伦失效应力图；

图6为本发明该实施例提供的基于流固耦合模拟结果的断层莫尔圆图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在页岩水力压裂过程中，当压裂液的注入压力超过储层岩石的最小主应力和抗拉强度时，人工压裂缝就会在页岩储层中开启并扩展。当压裂缝延伸并沟通附近的先存断层时，水力裂缝中的流体会增加地层的孔隙压力，降低断层面上的正应力，从而导致断层失稳，引发地震事件。上述物理过程较为复杂，涉及地质力学，流体力学和断裂力学等多学科，而目前对多侧重地质力学或断裂力学分析，没有采用基于流体-应力流固耦合模拟方法，难以准确表征压裂流体注入导致断层失稳、诱发人工地震的物理机制，尚未形成较为完善的多学科流固耦合模拟方法。

本发明上述问题，提出一种压裂液注入引发断层失稳的流固耦合模拟方法，该方法能够全面表征页岩水力压裂引发断层失稳并触发人工地震事件，大大提高对压裂诱发地震的认识。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明所提供的页岩储层压裂液注入引发断层失稳的流固耦合模拟方法的流程图，如图1所示，作为一种可实施方式，流固耦合模拟方法，包括如下步骤：

S1、基于三维地震数据，结合关键井的钻井(如井斜等)及测井(如声波时差及密度等)数据，建立关键井地震合成记录模板，根据目的层位的地震反射特征，标定目的层位；采用蚂蚁体追踪技术(已知技术)，识别先存裂缝及断层，建立三维构造模型，具体如图2所示；基于关键井岩心物性实验的孔渗饱数据(孔隙度、渗透率和饱和度3个数据)，结合关键井声波时差、密度和电阻率等测井资料，构建关键井的岩电对应关系，制作关键井岩电响应图版，建立三维属性模型，具体如图2所示；

S2、基于岩石力学实验分析，结合纵波和横波测井数据，建立三维岩石力学模型，基于三维岩石力学模型，根据应力反演方程，建立三维地应力模型；

S3、基于三维岩石力学模型，结合压裂施工资料，建立Perkins-Kern-Nordgren(PKN)三维人工压裂缝模型；

S4、基于线性弹性孔隙理论，结合上述三维构造和属性模型、三维地应力模型和三维人工压裂缝模型，建立储层流体压力-地应力流固耦合方程；

S5、基于摩尔-库伦失效准则，绘制表征断层应力状态的摩尔圆，判断上述压力变化和应力变化值扰动能否导致断层失稳，进而引发人工地震事件。

步骤S2中，三维地应力模型的具体建模步骤包括：

基于岩石力学实验分析，结合关键井的纵波和横波测井数据，计算岩石的泊松比和杨氏模量等岩石力学参数，并建立三维岩石力学模型，其计算公式为：

/>

式中，υ为岩石泊松比；V

基于上述三维岩石力学模型，根据应力反演方程，计算垂向主应力、最小和最大水平主应力，并建立三维地应力模型，如图3所示，其计算公式为：

σ

式中，σ

步骤S3中，三维人工压裂缝模型的具体建模步骤包括：

基于岩石力学模型，结合压裂施工资料，计算压裂缝的长度和宽度，建立Perkins-Kern-Nordgren(PKN)三维人工压裂缝模型，如图4所示，其计算公式为：

式中，L(t)为t时刻的压裂缝半长；W(t)为t时刻的压裂缝宽度；G为剪切模量；q为注入速率；μ为注入流体黏度；h为裂缝高度。

步骤S4中，建立储层流体压力-地应力流固耦合模拟方程的具体步骤包括：

基于线性弹性孔隙理论，结合步骤S1-S3中的三维构造和属性模型、三维地应力模型和三维人工压裂缝模型，根据达西定律和胡克定律，建立储层流体压力-地应力流固耦合方程，计算公式为：

式中，ρ为流体密度；φ为岩石孔隙率；t为时间；k为岩石渗透率；μ

步骤S4中，流固耦合方程的求解过程为：

假定在t时刻，储层流体通过岩石孔隙流入或流出岩石；

通过渗流场控制方程(1)

再将P(t0)带入应力场控制方程(2)

然后将ε

再将P(t1)带入应力场控制方程(1)，求得t1时刻体积应变及应力场；

如此循环计算，即可实现流体渗流场与应力场的耦合计算，最终计算得到流体注入引起的断层附近的实时压力变化和应力变化值。

步骤S5中，基于摩尔圆变化的断层失稳表征的具体步骤包括：

基于摩尔-库伦失效准则，绘制表征断层应力状态的摩尔圆，判断上述压力变化和应力变化扰动能否导致断层失稳，进而引发人工地震事件。摩尔-库伦失效准则的计算公式为：

CFS＝(τ+f

ΔCFS＝(Δτ+f

式中，CFS为断层面库伦失效应力；σ

如图5所示，其为该实施例中压裂液注入引起的库伦失效应力变化。图6为注入前后断层的摩尔圆，可以看出库伦失效应力导致了断层失稳，进而引发了4.18级诱发地震事件。

本发明第二方面提供一种压裂液注入引发断层失稳的流固耦合模拟装置，包括：

第一处理单元，用于基于地震、钻井和测井资料，识别目的层位和先存裂缝及断层，建立三维构造模型，基于岩心物性实验和测井资料，建立关键井岩电响应图版，建立三维属性模型；

第二处理单元，用于基于岩石力学实验分析，结合纵波和横波测井数据，建立三维岩石力学模型，基于三维岩石力学模型，根据应力反演方程，建立三维地应力模型；

第三处理单元，用于基于三维岩石力学模型，结合压裂施工资料，建立三维人工压裂缝模型；

第四处理单元，用于基于线性弹性孔隙理论，结合三维构造模型和三维属性模型、三维地应力模型以及三维人工压裂缝模型，建立储层流体压力-地应力流固耦合方程；

第五处理单元，用于对储层流体压力-地应力流固耦合方程进行求解，得到压裂液注入引起的断层附近的实时压力变化和应力变化值；

第六处理单元，用于基于摩尔-库伦失效准则，绘制表征断层应力状态的摩尔圆，判断压力变化和应力变化值能否导致断层失稳，从而引发人工地震事件。

本发明第三方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述压裂液注入引发断层失稳的流固耦合模拟方法的步骤。

本发明第四方面提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述压裂液注入引发断层失稳的流固耦合模拟方法的步骤。

本发明是根据具体实施方式的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解为可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。